Analyse de cas de rupture typique par fatigue et flexion des goujons de fixation

La rupture par fatigue est l’un des modes de défaillance les plus courants des composants mécaniques. Les données statistiques montrent que 50 à 80 % de toutes les défaillances de pièces mécaniques sont attribuées à des dommages causés par la fatigue. Avant la rupture par fatigue, les composants ne présentent généralement aucune déformation plastique évidente ni aucun signe préalable à la rupture. Néanmoins, la rupture par fatigue se produit de manière brutale et destructrice, entraînant souvent de graves pannes d'équipement et des accidents de sécurité. Les dommages dus à la fatigue suivent des lois spécifiques d'initiation et de propagation et finissent par se transformer en rupture de fatigue complète.

Définition de la fatigue: La fatigue des métaux fait référence à la détérioration continue des propriétés mécaniques des matériaux métalliques sous l'action cyclique répétée de contraintes ou de déformations alternées.

Définition de la fracture de fatigue: Lorsque les matériaux métalliques sont soumis à des contraintes et déformations alternées cycliques à long terme, des changements microstructuraux locaux et une propagation continue de défauts internes se produisent, entraînant la dégradation des propriétés mécaniques et éventuellement une rupture complète des composants. Ce processus de rupture est défini comme une rupture par fatigue. La contrainte qui induit la rupture par fatigue est généralement bien inférieure à la limite de résistance statique du matériau. La fracture de fatigue se caractérise par une apparition soudaine, une localisation élevée et une sensibilité élevée aux défauts de surface et internes.

1. Analyse morphologique macroscopique de la surface de fracture

L'objet de recherche de ce cas est un goujon fracturé utilisé dans l'équipement d'une éolienne. Les caractéristiques morphologiques macroscopiques de la surface de fracture sont analysées comme suit :

1. Les côtés inférieurs gauche et droit de la surface de fracture présentent des morphologies concaves et convexes irrégulières. Le côté gauche présente une encoche convexe en forme d'arc, tandis que le côté droit est réparti avec plusieurs petites encoches dentelées. L'arc inférieur de la fracture forme une arête tranchante.

2. Une grande zone centrale de la fracture sert de région de propagation des fissures, recouverte de marques de plage distinctes, qui sont des caractéristiques macroscopiques typiques de la rupture par fatigue.

3. Des traces de rouille sont observées sur la surface de fracture de la zone d'initiation de fissure et de la zone de propagation des marques de plage, provoquées par une exposition prolongée à l'environnement extérieur.

4. La zone de fracture instantanée présente une lèvre de cisaillement large et fine avec une surface de fracture lisse et brillante, exempte de rouille. Cela indique que la rupture finale s'est produite rapidement et appartient à la rupture ductile instantanée.

5. La tige inférieure du goujon fracturé présente une surface lisse et brillante avec des traces de friction évidentes, formant une surface d'arc lisse générée par un frottement répété à long terme.

6. Aucune striction ou déformation évidente n'est constatée au niveau de la position de fracture, ce qui exclut la possibilité d'une fracture par traction et surcharge.

2. Analyse du mécanisme de défaillance macroscopique

1. Les fissures apparaissent sur la face inférieure dugoujon. Le tranchant lisse, les encoches dentelées et les espaces en forme d'arc au niveau de la tige inférieure forment des régions de concentration de contraintes, qui sont les sources originales d'initiation des fissures.

2. Les marques de plage dans la zone de propagation des fissures sont proéminentes. Au stade initial de propagation, l'espacement des marques de plage est faible, ce qui indique une croissance stable et lente des fissures sous contrainte tangentielle cyclique. Au stade ultérieur de la propagation, l’espacement augmente considérablement, démontrant une propagation accélérée des fissures et un risque de défaillance croissant.

3. La lèvre de cisaillement large, fine et brillante dans la zone de fracture instantanée présente des caractéristiques de rupture ductile typiques, prouvant que le goujon possède une résistance et une ténacité bien adaptées avec d'excellentes propriétés mécaniques complètes.

4. La surface en arc lisse du côté des goujons est une morphologie de friction typique. Cela indique que le goujon a subi des contraintes latérales alternées à long terme, a effectué un mouvement alternatif continu pendant le fonctionnement et a généré des frictions et des extrusions répétées avec la paroi du trou d'engrenage, formant finalement une surface lisse et polie.

Conclusion macroscopique: La rupture du goujon est une rupture typique par fatigue en flexion. La zone de rupture instantanée présente des caractéristiques de rupture ductile favorables sans caractéristiques de rupture fragile.

3. Analyse morphologique microscopique

Pour clarifier davantage le mécanisme de fracture, une détection microscopique au microscope électronique à balayage (MEB) a été effectuée sur le spécimen de fracture afin d'observer les caractéristiques microstructurales de différentes régions de fracture.

1. L'observation au MEB révèle des stries de fatigue distinctes et régulières dans la zone de propagation des fissures, qui sont les principales caractéristiques microscopiques de la rupture par fatigue du métal et correspondent bien aux marques de plage macroscopiques, confirmant la rupture par fatigue.

2. Un grand nombre de fossettes uniformément réparties sont observées dans les images SEM, qui sont des manifestations microscopiques typiques d'une excellente ténacité des matériaux. Cela correspond à la large lèvre de cisaillement dans la zone de fracture macroscopique et vérifie la coordination raisonnable de la résistance et de la plasticité du goujon.

3. Aucune morphologie de fracture par clivage sur une grande surface n'est trouvée sur l'ensemble de la surface de fracture. Seule une petite quantité de quasi-clivages apparaissent localement, alternant avec des fossettes. Cela indique que le matériau présente une faible fragilité et une combinaison optimale de résistance et de ténacité.

Conclusion microscopique: La surface originale dugoujonretient les marques d'outils de tournage avec une rugosité de surface élevée, formant des zones de faible concentration de contraintes. Pendant le fonctionnement de l'équipement, le goujon supporte une contrainte de flexion tangentielle alternative continue et les marques d'outils de surface sont polies pour former une surface en arc lisse par frottement répété. Lors de flexions, de collisions et de frottements alternatifs à haute fréquence et à long terme, les microfissures s'initient préférentiellement au niveau des défauts de surface rugueuse et forment des sources de fatigue. Sous l’action continue de charges alternées, les fissures se propagent progressivement et conduisent finalement à une rupture par fatigue de flexion à cycle élevé. Les caractéristiques morphologiques macroscopiques et microscopiques sont très cohérentes, prouvant que la rupture soudaine est causée par des dommages accumulés par fatigue en flexion.

4. Enquête sur place et analyse des conditions de travail

Pour rétablir les conditions de fonctionnement réelles en cas de panne, deux enquêtes sur place ont été menées sur le site de l'éolienne. Les informations pertinentes, notamment la durée de fonctionnement de l'équipement, le processus d'assemblage, la position d'installation, la morphologie de la fracture et les dossiers de maintenance, ont été vérifiées pour clarifier les conditions de défaillance.

Plus de trente éoliennes de 1,5 MW sont en activité depuis plus de trois ans, et un seul goujon s'est cassé, ce qui constitue un cas de défaillance individuel. L'inspection sur place montre que le goujon fracturé a été installé avec un écart de position. Un côté de la tige s'ajustait étroitement à la face d'extrémité du trou d'engrenage sans aucun espace, tandis que l'autre côté présentait un grand jeu d'assemblage. L'écart d'installation a provoqué la flexion et le mouvement alternatif continu du goujon lors du fonctionnement de la turbine, générant des charges latérales alternées à long terme et induisant des risques potentiels de rupture par fatigue.

Le côté étroitement ajusté du goujon était sans espace et inaccessible aux outils, prouvant que cette position supportait des contraintes tangentielles cycliques extrêmement élevées et causait de grandes difficultés lors du démontage ultérieur. Sous une contrainte alternée verticale axiale continue, le côté du goujon ajusté à la paroi du trou a subi des flexions, des impacts et des frottements répétés avec le trou d'engrenage. Les marques de tournage d'origine ont été complètement usées, formant une surface en arc lisse semblable à un miroir avec des caractéristiques de friction évidentes.

L'éolienne fonctionne à une vitesse de rotation de 17 tr/min pendant 15 heures par jour, générant environ 15 300 cycles par jour. Les cycles de fonctionnement totaux atteignent 2,8×10⁶ en six mois et 2,0×10⁷ en trois ans et demi. Le goujon oscille dans une petite amplitude d'environ 4 mm avec une faible amplitude de contrainte et un faible niveau de contrainte global, appartenant aux conditions de travail typiques en fatigue cyclique à faible contrainte. La rupture est induite par une fatigue de flexion accumulée à long terme sous des charges latérales alternées, ce qui est un cas typique de rupture par fatigue de flexion des boulons.

5. Résumé complet

1. Le mode de défaillance du goujon est confirmé comme une rupture par fatigue par flexion, plutôt qu'une rupture par surcharge, une rupture fragile ou une rupture causée par des défauts de matériau.

2. La cause première de l’échec est un processus d’assemblage inapproprié. L'écart de position conduit à un ajustement serré unilatéral du goujon avec le trou d'engrenage, ce qui entraîne une contrainte de flexion tangentielle alternative soutenue. Les dommages causés par la fatigue s'accumulent continuellement pendant le fonctionnement de l'équipement à cycle élevé et finissent par provoquer une rupture par fatigue par flexion.